森林与环境学报  2016, Vol. 36 Issue (4): 488-493   PDF    
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.04.018
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邓邵平, 林姿, 黄前辉, 王春灿
DENG Shaoping, LIN Zi, HUANG Qianhui, WANG Chuncan
木粉热处理对木塑复合材料性能的影响
The Influence of thermally treated of wood flour on properties of wood plastic composites
森林与环境学报,2016, 36(4): 488-493.
Journal of Forest and Environment,2016, 36(4): 488-493.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.04.018

文章历史

收稿日期: 2016-04-27
修回日期: 2016-06-12
木粉热处理对木塑复合材料性能的影响
邓邵平, 林姿, 黄前辉, 王春灿     
福建农林大学材料工程学院, 福建 福州 350002
摘要: 为研究热处理木粉对木塑复合材料吸水性能和力学性能的影响,分别将180、200和220℃热处理0、1、2和3 h后的杉木木粉与高密度聚乙烯(HDPE)复合制备木塑复合材料(WPC),并对其吸水性能和力学性能进行测定,通过环境扫描电镜(ESEM)观察材料拉伸断面的形貌。结果表明,随着处理温度的升高和时间的延长,木粉的吸湿性减小,WPC的吸水性明显降低,而WPC的力学性能除冲击强度逐渐降低外,拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量总体呈先增大后降低的趋势。与对照相比,180℃热处理1-3 h的木粉基本上使WPC的弯曲性能和拉伸强度有不同程度的增加,200℃热处理木粉,随时间延长,WPC除弯曲性能仍增加外,拉伸强度和冲击强度逐渐降低,进一步提高木粉的处理温度会使WPC的力学性能降低明显,220℃处理3 h的木粉使WPC降低最多,分别较对照降低34.85%、12.85%、8.31%和4.24%,WPC拉伸断面的ESEM图中两相界面结合情况的变化基本反映了各力学性能的变化。
关键词热处理     木粉     木塑复合材料     吸水性能     力学性能    
The Influence of thermally treated of wood flour on properties of wood plastic composites
DENG Shaoping, LIN Zi, HUANG Qianhui, WANG Chuncan     
College of Material Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China
Abstract: In order to investigate the effects of thermal treatment of Chinese fir wood flour (WF) on the water absorption and mechanical properties of the WF/high-density polyethylene (HDPE) composites. The WF, which were thermally treated at 180-220℃ for 0, 1, 2 and 3 h, respectively, was mixed with HDPE to produce WF/HDPE composites (WPC) by injection molding procedure, and then the water absorption and mechanical properties of WPC were tested and the microstructure of WPC were observed by environmental scanning electron microscope (ESEM). The results showed that the moisture absorption of WF was reduced after heat treatment that made the ability of water absorption of WPC decrease. It was observed that the tensile strength, flexural modulus of rupture and modulus of elasticity of WPC increased at first and then decreased while the impact strength decreasing gradually with the increase of temperature and time. The bending performance and tensile strength of WPC with the WF treated at temperature of 180℃ for 1 to 3 h had a increasing trends compared to reference samples; while WF were treated at 200℃, the tensile strength and impact strength of WPC were reduced except bending strength and modulus of elasticity; regarding to the WF treated at 220℃, the mechanical properties of WPC decreased obviously when increasing the treatment time. Thermal treatment for 3 h made the strength, tensile strength, bending strength and modulus of elasticity of WPC decreased 34.85%, 12.85%, 8.31% and 4.24%, respectively, compared to control. Interfacial compatibility condition in the ESEM micrograph of tensile section of WPC basically reflected the change of mechanical properties.
Key words: heat treatment     wood flour     wood-plastic composites     water absorption     mechanical properties    

木塑复合材料(wood-plastic composites,WPC)是近年兴起的一种绿色环保材料,已成为替代木材和木质材料的新宠,正越来越多地被用于室内外的建筑、装修和包装等领域,这不仅有利于缓解日趋紧张的木材供需矛盾,也有利于解决塑料、木材行业废弃资源的再生利用问题[1-2],因此,发展前景广阔。但极性木纤维与非极性塑料基体间较差的界面相容性与分散均匀性,严重影响了复合材料的性能[3],成为限制其应用的关键。所以,如何提高两者的界面相容性一直是WPC研究的重点[4]。另一方面,尽管WPC的吸水性与木材比要低很多,但对于户外使用特别是木纤维含量较高的WPC而言仍具有一定的吸水性,而吸水不仅影响木塑的界面结合强度[5],引起材料变形、翘曲甚至力学性能降低,也给真菌的侵害提供了条件[6],因此,WPC的吸水性能是研究领域的另一个重要方向[7]

为解决木塑界面间的相容性问题,众多科研人员已进行了广泛研究,其中木纤维改性或添加界面相容剂较常采用[8],两类方法在改善木塑界面相容性的同时,也有降低WPC吸水性能的作用[9-10]。然而,目前这些方法仍以化学处理为主,有的不可避免地存在环境安全问题而使其应用受到限制[8]。而热处理已被认为是通过材料成分变化达到改良性能的一种环保型的有效手段,已有研究表明,高温热处理使木材的羟基数量减少不仅有助于降低木材的吸湿性而提高其尺寸稳定性,也有利于降低木材的表面极性而改善木塑二者间的相容性[11]。因此,借鉴木材的热处理方法,对WPC中的木质纤维进行高温改性处理,近年来也受到研究人员的关注,已成为研究的热点之一[12-14]。为此,文中以N2为加热介质,在180、200和220 ℃下对杉木木粉分别热处理1、2和3 h,然后将木粉与高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)复合制备WPC,探讨处理温度、时间对WPC吸水性能与力学性能的影响,并通过环境扫描电镜(environmental scanning electron microscope,ESEM)观察拉伸断面的微观形貌,为高温热处理技术在WPC中的研究应用提供参考。

1 材料与方法 1.1 试验材料

人工林杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]加工的锯屑,购自福建省南平市铭森木业有限公司,过筛取40-80目;HDPE,型号DMDA8008,密度0.956 g · cm-3,福建联合石油化工有限公司;马来酸酐接枝聚乙烯(maleic anhydride grafted polyethylene,MAPE),PE-G-1型,南京德巴化工有限公司;润滑剂:石蜡,分析纯,天津市福晨化学试剂厂。

1.2 仪器

KDF-S70日式马弗炉、Q-500B2高速多功能粉碎机、SHR-10A高速混合机、S(X)M-1L-K密炼机、PC-A00A强力塑胶粉碎机、HY500塑料注射成型机、CMT6104微机控制电子万能试验机、ZBC-25B摆锤冲击试验机、XL30 SEM扫描电子显微镜及数显游标卡尺等。

1.3 方法 1.3.1 木粉热处理

木粉置于已编号的大坩埚内并放入日式马弗炉中,然后在180、200和220 ℃分别热处理1、2和3 h。处理时通入N2并保持流量为1 L · min-1,试样于室温放入后均以7.5 ℃ · min-1的升温速率升至目标温度并保持相应时间,待热处理完后继续通入N2,直至炉内温度降到70 ℃以下取出,冷却后装入密封袋。

1.3.2 木粉吸湿性能测试

分别称取相同质量的未处理木粉、180、200和220 ℃热处理3 h的木粉以及200 ℃热处理1、2和3 h的木粉置于电热恒温干燥箱中于103 ℃烘到绝干,称质量后放入锡纸盒中并置于底部盛有蒸馏水的密闭干燥器中(水温设定为25 ℃),先隔12 h取出称质量,后每隔24 h取出称质量,以木粉吸湿前后的质量增加百分率来评定其吸湿性。

1.3.3 热处理WPC的制备

将热处理前后的木粉于103 ℃干燥8 h,然后将木粉、已干燥的HDPE、MAPE以及石蜡按一定比例加入高速混合机中,在65 ℃混合20 min后,经密炼、粉粹并注塑成标准测试件。WPC中木粉与HDPE的质量比均为4 : 6,MAPE及石蜡的添加量由预实验确定,分别为WPC总量的5%和2%,其中一组中的木粉不热处理,为对照组。

1.3.4 WPC吸水性能测试

从各WPC上截取20 mm×20 mm×4 mm的试件,参照GB/T 1934.1-2009[15]测定试件的吸水率。每组测6个试件并取平均值,试件采用室温蒸馏水浸泡。

1.3.5 WPC力学性能测定

拉伸强度测试参照GB/T 1040.1-2006[16]进行,拉伸速率为10 mm · min-1,每组测6个试件;弯曲性能测试参照GB/T 9341-2008[17]进行,加载速度为10 mm · min-1,每组测6个试件;冲击性能测试参照GB/T 1043.1-2008[18]进行,每组测8个试件,结果均取平均值。

1.3.6 ESEM观察

将试样的拉伸断面用工具刀切取2-3 mm厚,喷金处理后,利用ESEM观察断面的微观形貌。

2 结果与分析 2.1 热处理木粉的吸湿性能

不同条件热处理木粉的吸湿率随吸湿时间的变化见图 1图 2。所有木粉的吸湿率均随吸湿时间的延长而增加,24 h前木粉的吸湿速率较大,随后逐渐减慢并趋于平稳,但与未处理木粉比,热处理后不仅其吸湿达到饱和的时间提前,且吸湿率均有不同程度的降低。当吸湿时间相同时,对于同一时间热处理的木粉,随着处理温度的升高其吸湿率逐渐降低,且200 ℃以上处理时,木粉的吸湿率明显低于未处理的,该温度下热处理3 h的木粉最大吸湿率较未处理的降低了32.06%,220 ℃处理后木粉的吸湿率最低,最大吸湿率为7.62%,较未处理的降低了41.96% (图 1)。当处理温度相同时,随热处理时间的延长,木粉的吸湿率有着类似的变化(图 2)。

图 1 不同温度热处理3h木粉的吸湿率 Fig. 1 The moisture absorption rate of wood flour thermally treated at different temperatures for 3 h
图 2 200 ℃处理不同时间木粉的吸湿率 Fig. 2 The moisture absorption rate of wood flour thermally treated at 200 ℃ for different times
2.2 木粉热处理对WPC吸水率的影响

不同条件热处理WPC吸水率随浸水时间的变化见图 3。经室温蒸馏水浸泡后,无论木粉是否热处理,WPC的吸水率随浸水时间的变化趋势基本一致,即随着浸水时间的延长而增加,且在浸泡初期吸水较快,随后减慢并趋于稳定。但不同条件热处理木粉对WPC吸水率的影响明显不同,在浸水时间相同时,除180 ℃热处理1 h的木粉填充的WPC其吸水率的变化与对照相似外,其它的则随处理温度的升高和时间的延长,总体呈降低的趋势。但木粉在200 ℃以下处理时,各时间对吸水率的影响较小;220 ℃处理时,随时间的延长WPC的吸水率有明显的降低,该温度下热处理3 h的木粉使WPC的吸水率最小,最大吸水率与对照比降低了33.55%。这主要是由于热处理导致木粉的主要化学组分发生不同程度的降解,羟基数量减少,不仅降低了木粉的吸湿性,也有利于改善木塑两者间的界面结合[13]

图 3 热处理木粉对WPC吸水率的影响 Fig. 3 The effect of thermal treatment of wood flour on the water absorption rate of WPC
2.3 木粉热处理对WPC力学性能的影响 2.3.1 木粉热处理对WPC拉伸强度的影响

图 4是不同条件热处理木粉对WPC拉伸强度的影响。除180 ℃热处理2 h和200 ℃热处理1 h的木粉使WPC的拉伸强度与对照相比略有增加外,其它的有不同程度的降低,且随着处理温度的升高和时间的延长,总体呈下降的趋势。但200 ℃以下处理,温度和时间对WPC拉伸强度的影响不明显;当处理温度升至220 ℃时,随时间的延长,拉伸强度呈明显降低的趋势,该温度下热处理1、2和3 h的木粉使拉伸强度分别较对照降低了1.12%、8.76%和12.85%。这是因为木粉热处理后,吸水的-OH数目减少,表面极性降低,与HDPE间的相容性改善。因此,200 ℃以下处理的木粉,虽然半纤维素已有较明显的降解,但WPC拉伸强度的降低不仅较小甚至与对照比还略有增加,而220 ℃时,随着处理时间的延长,半纤维素的降解加剧[19],木粉的脆性增大致使WPC拉伸强度有较明显的降低。

图 4 木粉热处理对WPC拉伸强度的影响 Fig. 4 The effect of thermal treatment of wood flour on the tensile strength of WPC
2.3.2 木粉热处理对WPC弯曲性能的影响

不同条件热处理木粉对WPC弯曲性能的影响见图 5图 6。当处理时间相同时,随热处理温度升高,WPC的弯曲强度呈先增大后减小的趋势;当处理温度相同时,随热处理时间延长,WPC的弯曲强度也表现出类似的变化。180 ℃处理木粉1、2和3 h后的WPC弯曲强度分别为51.74、52.41和51.47 MPa,与对照比分别增加1.41%、2.72%和0.88%,200 ℃热处理相应时间的WPC,弯曲强度则分别增加4.25%、3.02%和2.16%,与对照比变化均较小;220 ℃时,随处理时间的延长,WPC的弯曲强度逐渐降低,热处理2、3 h后的WPC弯曲强度分别较对照降低了4.66%和8.31%,变化程度稍大(图 5)。热处理对WPC弯曲模量的影响与弯曲强度基本相似,在180、200 ℃下分别热处理1、2和3 h后的WPC,其弯曲模量也较对照有所增加,增幅在0.35%-5.63%之间,220 ℃时,除热处理1 h的WPC弯曲模量与对照比仍有所增加外,其它时间处理的WPC弯曲模量均降低,与对照相比分别降低了0.63%和4.24%(图 6)。不同条件热处理木粉使WPC的弯曲性能表现出上述变化的原因是一方面木粉热处理后与HDPE间的相容性改善而使弯曲性能有所增加;另一方面热处理后木粉的主要化学组分有不同程度降解使自身强度降低而导致WPC力学性能降低。而200 ℃以下处理时,木粉中的纤维素、木质素的变化较小,此时木塑界面间相容性的改善以及木粉结晶区的增加则使弯曲性能增大,但当处理温度为220 ℃时,随时间的延长,不仅半纤维素降解加剧,纤维素和木质素也开始分解[19],木粉自身强度的降低致使WPC的弯曲性能也降低。

图 5 木粉热处理对WPC弯曲强度的影响 Fig. 5 The effect of thermal treatment of wood flour on the flexural modulus of rupture of WPC
图 6 木粉热处理对WPC弯曲模量的影响 Fig. 6 The effect of thermal treatment of wood flour on the modulus of elasticity of WPC
2.3.3 木粉热处理对WPC冲击性能的影响

图 7是不同条件热处理木粉对WPC冲击强度的影响。与对照比,除180 ℃热处理1 h的木粉使冲击强度有所增加外,其它的则有不同程度的降低。但200 ℃以下处理时,随温度升高和时间的延长,WPC的冲击强度未发生明显的变化,说明该条件下热处理木粉对WPC冲击强度的影响较小;当处理温度为220 ℃时,随时间的延长,WPC的冲击强度出现明显降低的趋势,该温度下热处理1、2和3 h后,冲击强度分别较对照降低了2.42%、19.91%和34.85%。

图 7 木粉热处理对WPC冲击强度的影响 Fig. 7 The effect of thermal treatment of wood flour on the impact strength of WPC
2.4 ESEM分析

图 8是WPC拉伸断面的ESEM图。图 8A是未处理拉伸断面的微观形貌,可以观察到未处理木粉的木纤维与HDPE间的间隙较大,界面较清晰,在外力作用下木纤维被拔出。而从180 ℃与200 ℃热处理1 h后的木粉填充的WPC的拉伸断面图(图 8B图 8C)可以发现,WPC中两相的界面较模糊,木纤维较好地分散在HDPE基体中,在受到外力作用后,木纤维是伴随着塑料基体一起被拔出的,两相界面结合较好,因此总体上表现出力学性能有所增加。图 8D是220 ℃热处理3 h的木粉填充的WPC的拉伸断面图,在外力作用下木纤维被拔出,且留下较多的空隙,说明两者间的界面结合变弱,故在WPC的拉伸试验中易被拉断。

图 8 WPC拉伸断面的ESEM图 Fig. 8 The ESEM Micrographs of fractured surfaces of tensile test sample of WPC 注:A.未处理材(500×);B.180 ℃处理1 h木粉/HDPE复合材料(100×);C.200 ℃处理1 h木粉/HDPE复合材料(100×);D.220 ℃处理3 h木粉/HDPE复合材料(500×)。 Note : A. The control samples(500×); B. The composites of the WF treated at 180 ℃ for 1 h and HDPE(100×); C. The composites of the WF treated at 200 ℃ for 1 h and HDPE(100×); D. The composites of the WF treated at 220 ℃ for 3 h and HDPE(500×).
3 结论与讨论

高温热处理使木粉的吸湿性减小,由热处理木粉制备的WPC其吸水性降低。随着木粉热处理温度的升高和时间的延长,WPC的力学性能除冲击强度逐渐降低外,拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量基本呈先增大后降低的趋势。与对照相比,200 ℃以下热处理木粉时,随处理温度升高和时间的延长,WPC的力学性能未发生明显的变化;220 ℃热处理木粉时,随处理时间的延长,WPC的各力学性能出现明显降低的趋势,该温度下热处理3 h的木粉填充的WPC降低最多,分别较对照降低34.85%、12.85%、8.31%和4.24%。WPC拉伸断面的ESEM图中两相界面结合情况的变化基本反映了各力学性能的变化。

高温热处理使木粉的吸湿性减小,表面极性降低,与HDPE的相容性改善而使WPC的力学性能有所增加。因此,采用高温热处理对木粉进行改性处理,无论从降低WPC的吸水性还是改善木塑两者间的界面相容性,都有实际意义。但随着热处理温度升高和时间延长,木粉中的主要化学组分发生不同程度的降解,又会导致WPC力学性能下降,降低程度与热处理条件有关。所以,后续研究中,还需优化出木粉的热处理工艺条件,使其填充的复合材料具有更低吸水率的同时,又能确保其力学性能不受影响。

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